Was sind die Smart Tattoos?

Hast du schon einmal von Smart Tattoos gehört? Winzige, fast unsichtbare Geräte kleben auf der Haut und “kommunizieren” mit Computern!

James Bond und seine Feinde würden sich sehr dafür interessieren, was im Labor von John Rogers passiert. Genauso wie Batman, die Spy Kids, Darth Vader und ihre Feinde. Denn Rogers, ein Materialwissenschaftler an der University of Illinois in Urbana-Champaign, verbindet Elektronik mit dem menschlichen Körper, um neue Geräte zu schaffen, die selbst in der Science-Fiction nicht zu finden sind.

Rogers und seine Mitarbeiter haben ein elektronisches Gerät gebaut, das kleiner als eine Briefmarke ist und wie eine vorübergehende Tätowierung auf der Haut klebt. Die möglichen Nutzer des Geräts – Patienten, Sportler, Ärzte, Geheimagenten, du – werden nur durch ihre Vorstellungskraft begrenzt.

Wenn man es auf der Stirn platziert, kann das Gerät Hirnwellen aufzeichnen; am Handgelenk, die Durchblutung und Muskelbewegungen. Auf der Haut kranker Patienten kann es die Vitaldaten verfolgen und auf Probleme achten. Es ersetzt also die sperrigen Geräte, die man normalerweise in Krankenhäusern findet. Und an den Hals geklebt, kann es als geheimes Handy fungieren, das durch die Bewegungen der Stimmbänder einer Person aktiviert wird.

Die Wissenschaftler haben das Gerät, das etwa halb so dick wie ein normales Blatt Papier ist, durch das Vorbild der Haut entwickelt. Wie die Haut kann das elektronische Material auf viele Arten gedehnt und gequetscht werden, ohne dass es kaputt geht.

Wissenschaftler, die Geräte für den Körper entwerfen, müssen ihre Funktionsweise bis auf die kleinste, zelluläre Ebene untersuchen. Der Körper und die Maschine müssen die gleiche Sprache sprechen. “Wir wollten Geräte bauen, die mit dem Körper interagieren”, sagt Rogers.

Letzten Herbst haben Rogers und seine Kollegen demonstriert, wie ihr neues Gerät die Funktionen des Körpers auf unterschiedliche Weise misst. Die Erfindung kann Temperatur, Muskelbewegungen oder die elektrische Aktivität auf der Haut eines Menschen aufzeichnen. Es kann mit einem Licht und einer winzigen Stromquelle ausgestattet werden, was bedeutet, dass es Daten drahtlos an einen nahe gelegenen Computer übertragen kann. Dieses Gerät kann sogar die Art und Weise verändern, wie wir über medizinische Geräte denken und wie Ärzte ihren Patienten helfen können.

Smart Tattoos, die eine Funktion haben

Rogers hat keine permanenten Tattoos. Aber er sagt, er trägt “immer mehr” der temporären Art, um die aufgeklebten elektronischen Schaltkreise zu verstecken. (Er hat sogar ein Gerät hinter einem blauen Piratentattoo versteckt.) Temporäre Tattoos verwenden eine einfache und kostengünstige Methode, um auf der Haut zu bleiben: eine gute klebrige Unterlage, die sich mit den natürlichen Bewegungen der Haut dehnt und beugt.

Rogers und seine Kollegen haben im Labor mit ihren neuen Geräten experimentiert und verschiedene Messungen an verschiedenen Körperteilen vorgenommen.

 “Wir haben ausgiebige Tests durchgeführt”, sagt Todd Coleman, ein Ingenieur, der sich mit dem Problem befasst, das Gerät, den Körper und den Geist miteinander “kommunizieren” zu lassen. “Ich habe ein [Gerät] in die Nähe meines Unterarms gelegt und meine Faust geballt, um zu sehen, wie es meine Muskelsignale und Bewegungen aufzeichnen kann. Legt man es auf die Kopfoberfläche, zeichnet es Gehirnwellen auf. In der Nähe des Herzens nimmt es Herzschlaginformationen auf. Es ist dasselbe Gerät, nur an verschiedenen Orten.”

Das Gerät ist so leicht, dass ein Träger vergessen könnte, dass es da ist, sagt Coleman, jetzt an der University of California San Diego. “Wir haben versucht, ein Stück elektronisches Material zu entwickeln, das im Grunde auch für den Benutzer völlig unsichtbar ist. Man spürt kaum, dass sich das Gerät am Körper befindet”, sagt er.

Mehr als Haut-tief

Die Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, die Technologie für Funktionen zu nutzen die noch tiefer als auf der Körperoberfläche verwendet werden. Im Jahr 2010 haben sie eine elektrische Plastikfolie eingeführt, die während einer Operation am offenen Herzen eines Menschen befestigt werden kann. Elektronische Schaltkreise und Instrumente zeichnen den Blutfluss und den elektrischen Strom auf, so dass das Gerät den Arzt auf versteckte Probleme mit dem Herzen des Patienten aufmerksam machen kann. Das Team hat bereits gezeigt, dass ein Gerät, das an der Oberfläche des Gehirns befestigt wird, die elektrischen Signale eines epileptischen Anfalls aufzeichnen kann.

Rogers, der sich nach eigenen Angaben schon immer zur Wissenschaft hingezogen fühlte, nahm als Kind schon regelmäßig an Wissenschaftsmessen teil. Als er älter wurde, erkannte er, dass die Arbeit der Wissenschaftler die Welt um vieles verbessern kann.

“Die Herstellung von Geräten, die einen echten Nutzen für die Gesellschaft haben, war ein wichtiges Hauptziel unseres Teams, besonders in den letzten Jahren”, sagt er. “Unser Ziel ist es, Geräte zu entwickeln, die neue Wege zur Lösung von Gesundheitsproblemen und anderen großen gesellschaftlichen Herausforderungen bieten.”

Spione und Tiefseetaucher sollten die neue “Skintronik” im Auge behalten: Am Hals angebracht, könnten die Geräte beispielsweise die Kehlenbewegungen beim Sprechen erkennen. Das heißt, eine Person kann – ohne einen Pieps zu machen – Worte in den Mund nehmen, und das Gerät würde die Bewegungen aufzeichnen und die stumme Nachricht weiterleiten. Es wäre perfekt für verdeckte Operationen.

“Es ist unglaublich, wie viel Spaß wir dabei hatten, anderen über dieses Gerät zu berichten”, sagt Coleman.

Silizium: Das Problem und die Lösung

Seit mehr als 80 Jahren bringen Wissenschaftler elektrische Geräte auf der Haut an. Im Jahr 1929 erfand ein deutscher Arzt namens Hans Berger ein Gerät, das an der Kopfhaut befestigt wird und die elektrische Aktivität des Gehirns misst. Seine Erfindung, ein Elektroenzephalograph (EEG) genannt, lässt Ärzte die Gehirnaktivität “lesen”. Ein EEG kann Ärzten helfen, Krankheiten wie Epilepsie zu diagnostizieren oder zu erkennen, wenn ein Patient ins Koma fällt.

Aber das EEG hat einen großen Nachteil: Es ist groß und klobig. Die Techniker kleben ein komplexes Netz aus kleinen Knoten und Drähten an den Kopf, um ein gutes Bild zu erhalten. Und die EEGs brauchen Strom, der durch Drähte verbunden wird, was das Chaos noch verschlimmert. Das ist nicht nur ein Problem für EEGs; es ist ein Problem für fast jedes elektrische Gerät, sogar für fiktive Geräte, die von Batman oder James Bond benutzt werden.

Ein leichteres, biegsames Gerät könnte die gleichen Informationen wie ein EEG liefern, aber ohne die Größe und das Gewicht. Diese Idee wirkte so, als würde sie zur Realität werden, als in den frühen 1990ern Wissenschaftler aus der ganzen Welt ein Wettrennen um die Erfindung der flexiblen Elektronik machten. Computer wurden in dieser Zeit bekannter, aber die meisten sahen aus wie klobige Kisten, die an einem Nest von Drähten befestigt waren. Die Forscher stellten sich flexible Bildschirme und Computergeräte vor, die sich wie Papier biegen und falten ließen.

Rogers wollte noch weiter gehen.

“Ich dachte, ein anspruchsvolleres Ziel könnte es sein, ein elektronisches Gerät herzustellen, das sich wie ein Blatt Papier biegen, aber wie ein Gummiband dehnen lässt”, sagt er.

Aber ein Problem drohte. Computer sind auf ein Element namens Silizium angewiesen. In der Natur erscheint Silizium als ein dunkelgrauer Kristall. Dünne Scheiben des Materials leiten Elektrizität, und seit Jahrzehnten wird Silizium zur Herstellung von Computerchips und anderen elektronischen Bauteilen verwendet. Silizium ist wichtig und nützlich, aber Siliziumscheiben sind spröde, was bedeutet, dass sie leicht zerbrechen.

Rogers und seine Kollegen dachten, dass man Silizium vielleicht dazu bringen könnte, sich wie eine Haut zu dehnen und nicht zu zerbrechen. Mit dem Siliziummaterial selbst konnten sie jedoch nicht viel anfangen. Aber sie dachten, wenn man Siliziumdrähte in die richtige Form bringt, könnte das Material flexibler werden.

Die Wissenschaftler wollten, dass sich Silizium wie der Balg eines Akkordeons ausdehnt, der Teil des Instruments, der wie eine gefaltete Gummiplatte aussieht. Wenn eine Person auf dem Akkordeon spielt, entfaltet sich der Balg und bewegt sich weiter voneinander weg, ohne dass sich das Material selbst dehnt. Rogers wollte einen ähnlichen Ansatz verfolgen und das Gerät so konstruieren, dass die Drähte sich “entfalten” können – und die Siliziumstränge sich bewegen können – ohne zu zersplittern.

Nach drei Jahren Bauen und Experimentieren, sagt Coleman, haben die Forscher ein funktionierendes Gerät hergestellt. Aus der Nähe sieht das Silizium wie winzige, verdrehte Schlangen aus, die sich in komplizierten Mustern durch das Material winden. Diese sich windenden Siliziumformen bilden die verschiedenen Teile des Geräts – die Sensoren, die Antennen und die Stromversorgung – und sie können Dehnungen, Stößen und Quetschungen standhalten.

Die Verbindung von Körper und Maschine

In nicht allzu ferner Zukunft werden sich die Patienten der Chirurgie möglicherweise mit intelligenten temporären Tätowierungen statt mit sperrigen, mit Drähten verbundenen Geräten konfrontiert sehen. Rogers’ Arbeit ist Teil des wachsenden Feldes der “biointegrierten Technologie”, Geräte, die mit einem Fokus auf den Körper gebaut werden. Sie bringen Maschinen und lebende Dinge zusammen, um das Leben zu verbessern. In Zukunft will Rogers die Technologie erweitern, um winzige Geräte zu erfinden, die vielleicht sogar in der Lage sind, im Körper selbstständig zu arbeiten und so zum Beispiel die Gesundheit des menschlichen Herzens zu verbessern.

“Die unmittelbarste Chance für die biointegrierte Technologie besteht darin, neu zu definieren, was ein chirurgisches Werkzeug ist”, sagt er. “Meine Hoffnung ist, dass [die Geräte] wirklich einen großen Einfluss darauf haben, wie die Menschen über chirurgische Eingriffe denken. Das ultimative Ziel, sagt er, ist es, dass die Geräte die Körper- und Hirnaktivität verfolgen und “chirurgische Eingriffe erst gar nicht nötig machen”.

Mit seiner Forschungsgruppe in San Diego will Coleman neue Wege schaffen, wie Menschen ihre Gehirnaktivität nutzen können, um mit Maschinen – oder sogar miteinander – zu kommunizieren. Er stellt sich eine Welt vor, in der Menschen zusammenarbeiten oder sogar gemeinsam denken können, indem sie die Geräte nutzen, um Informationen direkt aus ihrem Kopf zu übertragen. “Sie könnten mit einem Freund sowohl in der natürlichen als auch in der virtuellen Welt interagieren und dabei nicht nur Ihre Handlungen, sondern auch Ihre Gedanken nutzen”, sagt er. Die Idee, das Gehirn mit den Geräten zu verbinden, hat auch Auswirkungen auf den Schulunterricht. “Wenn wir die Gehirnsignale zwischen Lehrern und Schülern, die miteinander interagieren, überwachen können, dann können wir vielleicht lernen, inwieweit sie sich gegenseitig verstehen”, sagt Coleman. “Das könnte Bildung und Ausbildung revolutionieren. Es fällt leicht, sich die ganzen Möglichkeiten vorzustellen. Und wenn wir nicht dafür da sind, uns diese vorzustellen, was tun wir dann?”